于 介

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

黃土地區(qū)高速鐵路隧道勘測淺談

于 介

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

鐵路隧道的勘測階段，是一個項目從前期方案研究到走向成品設計的重要基礎之一。文章結合已有的隧道的勘測經(jīng)驗及黃土臺塬、溝壑區(qū)中就高陡邊坡、深“V”淺埋溝谷、滑坡、錯落、陷穴及溜坍等特點，通過在銀西高速鐵路隧道外業(yè)勘測，就前期踏勘隧道選線，外業(yè)調(diào)查及資料收集的一些體會，特別是對高速鐵路黃土隧道的洞口不良地質(zhì)選線、洞口黃土邊坡穩(wěn)定性調(diào)查、黃土濕陷性、地表淺埋黃土溝谷及高含水率黃土層等勘測特殊問題，歸納總結了區(qū)別于常規(guī)鐵路隧道勘測要點及注意事項，其關于黃土區(qū)高速鐵路隧道洞口、黃土濕陷性及高含水率黃土段等勘測要點可直接為黃土地區(qū)高速鐵路隧道工程勘測服務。

高速鐵路； 隧道； 黃土； 洞口； 濕陷性； 高含水率； 勘測

1 引言

黃土系特殊巖土，黃土堆積過程包括整個第四紀下更新統(tǒng)(Q1)午城黃土和中更新統(tǒng)(Q2)離石黃土，稱老黃土，含多層古土壤層，鈣質(zhì)結核層，大孔隙結構多已退化，較致密，地基承載力較高，一般無濕陷性。普通覆蓋在老黃土上部及河谷階地的上更新統(tǒng)(Q3)風積黃土和全新統(tǒng)(Q4)經(jīng)過再堆積的黃土稱為新黃土。全新統(tǒng)黃土成因類型主要為沖積、洪積和山地斜坡地帶的坡積、殘積及重力堆積。新黃土一般土質(zhì)均勻，較疏松，地基承載力較低，大孔隙發(fā)育，具垂直節(jié)理，有強烈的失陷性。

黃土隧道其自身的特點有施工變形量大、地表沉降量大、新黃土濕陷性及洞口邊仰坡的穩(wěn)定性。位于Q1、Q2地層中修建的黃土隧道，穩(wěn)定性好；Q3、Q4黃土土體疏松，大孔隙發(fā)育、柱狀節(jié)理發(fā)育，滲透性強，對洞身影響較大，施工中易出現(xiàn)塌方、變形、地表開裂等現(xiàn)象[1]。勘測過程中對新老黃土深埋、分界面的判別，對隧道選線的合理性尤為重要。

高速鐵路隧道斷面大、基底沉降控制及列車行駛舒適性要求高等特點。通過銀西高速鐵路隧道的外業(yè)勘測，并結合現(xiàn)有隧道的勘測經(jīng)驗，在高速鐵路黃土隧道的選線、外業(yè)踏勘及資料收集過程中，就高速鐵路隧道洞口不良地質(zhì)、黃土濕陷性、地表淺埋溝谷及高含水率黃土等勘測問題，歸納總結了區(qū)別于常規(guī)鐵路、常規(guī)隧道勘測要點及注意事項，其關于黃土區(qū)高速鐵路隧道洞口、黃土濕陷性及高含水率黃土段勘測要點可直接為黃土地區(qū)高速鐵路隧道工程勘測服務，并為今后類似的工程勘測提供參考。

銀西高速鐵路線路范圍內(nèi)的隧道[1]主要集中在高原型黃土塬及黃土梁峁區(qū)，如圖1所示，

圖1 高原型黃土塬及黃土梁峁區(qū)地貌圖

董志塬黃土臺塬及溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)滑坡、錯落、溜坍及陷穴等不良地質(zhì)極其發(fā)育，如圖2所示。高速鐵路速度目標值高，平面曲線半徑大，選線靈活性差，加之地形、地質(zhì)條件所限，隧道工程難以避免淺埋、偏壓問題，且工程設置受到不良地質(zhì)影響。

圖2 黃土臺塬區(qū)地貌圖

2 工程概況

2.1 工程簡介

為了保證隧道工程設置的合理性，需在前期進行大量的現(xiàn)場調(diào)查及勘探工作，并運用收集的第一手資料進行技術經(jīng)濟綜合比選，才能確保選擇最優(yōu)隧道方案，降低施工風險，節(jié)約工程投資。本文依托銀西高速鐵路，總結了典型黃土區(qū)高速鐵路隧道工程勘測要求。

新建銀川至西安高速鐵路經(jīng)過陜西、甘肅及寧夏自治區(qū)，全長617.15 km，隧道33座，共145.04 km，占線路全長的23.5%。隧道洞身位于黃土及紅黏土地層，長度117.35 km，占隧道全長的81%。

黃土區(qū)隧道洞身通過地層主要為第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)風積黃土，上第三系紅黏土和白堊系砂巖夾頁巖；銀西高速鐵路全線自南向北穿越了中朝準地臺的汾渭斷陷、陜甘寧臺坳、陜甘寧臺緣褶皺帶3個二級單元。

2.2 不良地質(zhì)

受地震誘發(fā)、河流侵蝕、持續(xù)降雨、凍融作用及人類活動等作用，黃土區(qū)內(nèi)滑坡、錯落、溜坍及黃土陷穴等不良地質(zhì)極其發(fā)育，如圖3所示。選線過程中難以完全避繞，且在施工過程中施工風險高，工程危害極大。

圖3 黃土溝壑區(qū)內(nèi)滑坡、錯落、溜坍及陷穴等不良地質(zhì)全貌

2.2.1 滑坡、錯落

本線滑坡、錯落等重力型不良地質(zhì)具有以下特點：一是類型以黃土滑坡、錯落為主，規(guī)模不一，以中小型為主，也有大型、巨型厚層滑坡；二是分布位置相對集中，主要出現(xiàn)在陡峭的黃土沖溝河谷兩岸，特別是在河流下切作用強烈，溝谷處于發(fā)育高峰期的“V”型沖溝兩岸，常以滑坡群形式分布；三是滑坡、錯落地貌特征明顯，均存在圈椅狀地貌，發(fā)育平臺，坡面平緩，前緣突出，對沖溝河道具擠壓作用。

2.2.2 溜坍

溜坍屬黃土斜坡塑流性坡面變形，多發(fā)育溜坍體大部分表層為淺層的新黃土層，其下與第三系紅黏土或老黃土呈傾斜接觸。紅黏土或老黃土間的古土壤相對隔水，地表水順表層淺層新黃土垂直下滲至隔水層頂面，致使黃土體飽和而發(fā)生淺層的黃土邊坡溜坍。溜坍體呈片狀分布，面積大小不一，溜坍體厚度一般小于5 m。

2.2.3 黃土陷穴及人工坑洞

沿線黃土陷穴主要分布于黃土梁峁及殘塬區(qū)內(nèi)，坡面及溝腦黃土陷穴極其發(fā)育，多呈串珠狀及蜂窩狀，空間分布較復雜。沿線人工坑洞多為窯洞、水窖及果窯，主要分布在黃土殘塬塬邊。

2.3 特殊巖土

2.3.1 濕陷性黃土

沿線黃土地層廣泛分布，主要為黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土，結構疏松，多孔隙。新黃土場地普遍具有濕陷性，濕陷的類型和等級與黃土場地所處的地貌單元關系密切。

2.3.2 紅黏土

第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土中的古土壤層及上第三系新統(tǒng)紅黏土中黏土礦物含量高，根據(jù)膨脹性試驗報告，具弱膨脹性。

3 黃土區(qū)隧道勘測基本原則

隧道位置的選擇應結合地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工組織、施工場地、棄碴和運營條件等方面綜合考慮[2-3]。

(1)線路通過黃土傍山地段時，選線過程中應盡量避免隧道外側覆蓋淺薄，以防形成偏壓，通過橫斷面的點繪及現(xiàn)場調(diào)查情況，確定隧道合理位置。如無法避免，應結合現(xiàn)場實際情況，提出合理的工程處理措施。

(2)下穿或瀕臨水庫、魚塘的隧道，根據(jù)其與隧道的位置關系，分析其對隧道穩(wěn)定性的影響，確定合理的隧道位置，并指導線路方案調(diào)整、優(yōu)化。

(3)隧道洞身淺埋段應盡量避免長段落下穿建(構)筑物，結合洞身埋深情況，應對建(構)筑物的影響進行初步判斷及分析，并收集影響范圍內(nèi)建(構)筑物基礎資料。

①靠近居民區(qū)的隧道，應結合環(huán)保要求調(diào)查隧道工程對環(huán)境的影響及保護措施。

②下穿村莊的黃土隧道，根據(jù)隧道埋深情況，進行地表建(構)筑物及水澆地的調(diào)查，相關原則如1表所示。

表1 隧道洞頂拆遷調(diào)查范圍取值建議

(4)全線隧道通過地段不良地質(zhì)發(fā)育，部分越嶺段隧道洞身位于不同巖性接觸帶，地質(zhì)條件復雜，選線過程中力求盡量減少通過類似地段隧道長度。

①對于滑坡、錯落[4-5]等不良地質(zhì)，原則上應避繞，如不能避繞時，應根據(jù)滑動面與隧道的位置關系，分析不良地質(zhì)體對隧道結構的影響程度及所采取的工程措施綜合評價后，確定方案的可行性；原則上隧道洞頂埋深于滑動面以下不宜小于一倍洞徑深度，洞口段盡量置于滑動面上緣。

②通過不同巖性接觸帶，如黃土紅黏土、土石分界面等，巖性不均勻性和差異性大，工程地質(zhì)條件差。應提前進行地質(zhì)勘探工作，及早確定分界面與隧道洞身的位置關系并指導選線。隧道洞身在不同巖性分界范圍內(nèi)時，應盡量優(yōu)化隧道縱坡，使線路標高遠離接觸帶高程，避免沿接觸帶布設隧道工程，并詳細研究制定保證施工安全的工程措施。

(5)根據(jù)Q/CR 9511-2014《鐵路黃土隧道技術規(guī)范》中對隧道的深淺埋分界的判別，可根據(jù)黃土形成的年代及隧道斷面尺寸確定，老黃土(Q1、Q2)隧道取1.4～1.7(H+B)，新黃土(Q3、Q4)隧道取1.8～2.1(H+B)。其中“H”為隧道凈高，“B”為隧道最大跨。

(6)洞口通過濕陷性黃土地段，應結合現(xiàn)場條件提出相應的地基處理措施，并進行可實施性評價。

(7)輔助坑道的設置應根據(jù)工點的隧道長度、施工工期、地形、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件、結合防災、棄碴及運營養(yǎng)護綜合比選確定。黃土區(qū)輔助坑道洞口避開不良地質(zhì)，洞身如通過軟塑黃土夾層及土石分界段，盡量抬高輔助坑道縱坡，減少通過以上段落的長度。

(8)結合環(huán)保專業(yè)調(diào)查落實隧道棄碴場地、運距、占地類型及臨時施工便道，并提出環(huán)境和水保措施的建議。

4 黃土隧道勘測要點

4.1 前期踏勘對選線的影響

選線前，需對線路范圍內(nèi)一些控制點踏勘調(diào)查，才能確定選線是否合理，為下階段的合理選線提供可靠依據(jù)，相關注意要點如下[6-10]：

(1)落實隧道洞口地形地貌是否與平面圖一致，如洞口有不良地質(zhì)，要初步判斷不良地質(zhì)發(fā)育情況及不良地質(zhì)類型，且與線路的位置關系及對線路影響的程度，同時收集地形地貌等線路周邊范圍內(nèi)的影像資料，便于線路平面位置調(diào)整后資料的完整性。

(2)隧道洞身需收集地表控制性建(構)筑物資料，如鐵路、公路、水庫、油井及控制性建筑等，根據(jù)線路與其位置關系，初步評估線路通過對其的影響性，根據(jù)影響結論確定線路方案是否可行。

(3)黃土區(qū)溝壑發(fā)育，隧道洞身下穿淺埋沖溝段落較多，溝內(nèi)植被茂密，不良地質(zhì)發(fā)育，部分沖溝內(nèi)不良地質(zhì)堆積體，前期需要實測核實溝心高程，初步判斷原始溝心高程及堆積體厚度，結合實際埋深情況，確定線路方案的合理性。

(4)前期踏勘中，要收集隧道線位附近的溝槽，山體裸露面地質(zhì)資料。通過初步判別黃土與紅黏土及基巖的位置關系，便于線路縱坡調(diào)整中隧道通過不同巖性分界段落最短，保證隧道方案的合理性。

4.2 選線注意事項

黃土區(qū)選線過程中應結合黃土隧道的合理設置選擇最優(yōu)方案，相關注意事項如下：

(1)黃土區(qū)山體坡面不良地質(zhì)發(fā)育，為減少隧道洞口不良地質(zhì)對施工及運營的影響，需進行長隧道與短隧道群的方案比選，在工程設置合理，投資可控的前提下，建議采用長隧道通過黃土溝壑區(qū)，可以降低隧道洞口施工風險，并降低后期運營養(yǎng)護難度。

(2)黃土區(qū)溝壑發(fā)育，“V”形溝槽兩岸坡度陡峭，橋隧相連，在方案研究中，要統(tǒng)籌考慮分界里程及兩者之間的位置關系，由于在暗洞內(nèi)橋臺底樁基施做空間小，施工困難，因此，選線中要盡量避免橋臺進入隧道暗洞。

(3)隧道和路基分界處，需根據(jù)邊坡開挖條件及洞口路基排水條件，合理確定隧道和路基分界里程，盡量避免通過長段落黃土高陡邊坡及長段落路塹反坡排水；如無法避免，要制定合理的工程處理措施。

(4)長大隧道洞身段下穿不良地質(zhì)發(fā)育的黃土淺埋沖溝多，段落長時，應結合地下水調(diào)查情況，可考慮設置“V”形坡，降低線路高程，加大淺埋沖溝段落內(nèi)隧道埋深，并在“V”形坡最低點處設置導水洞，將洞內(nèi)水引排至洞外，嚴寒地段要考慮導水洞的出口位置，盡量設置在向陽、避風處。

(5)對于長大隧道，應初步選擇輔助坑道，同時要進行輔助坑道設置方案比選，確保隧道方案投資可控、技術合理。

(6)隧道通過黃土濕陷性嚴重地段，要提前進行黃土濕陷性實驗，確定濕陷性厚度，為隧道選線提供可靠依據(jù)，盡量避免長段落通過濕陷性黃土地段[11-14]。

(7)隧道通過軟硬塑黃土互層地段，黃土軟塑夾層受氣候影響變化較大，根據(jù)軟塑夾層影響范圍，可通過抬高縱坡采用路塹或壓低縱坡采用隧道通過，如隧道洞頂、洞身及基底無法避開軟塑黃土段，需進一步開展軟塑黃土段隧道施工處理措施的研究及討論[15]。

(8)隧道通過含水率高的黃土地段，在選線階段要提前通過鉆探分析，了解洞身含水率基本情況。方案研究中盡量避免長段落通過，同時需進一步開展研究高含水率黃土隧道的深淺埋判別、工程處理措施等方面的研究及討論[15]。

4.3 方案穩(wěn)定后資料收集

方案穩(wěn)定后，為了滿足下階段隧道工點設計，在常規(guī)外業(yè)資料收集外，黃土區(qū)需補充收集如下資料。

(1)隧道洞身應收集埋深100 m以下特殊建(構)筑物資料以及與線位的位置關系圖。

(2)隧道洞口要收集對洞口有影響的不良地質(zhì)平面(范圍要納入整個不良地質(zhì)體)，滑坡軸心放大縱、橫斷面以及與線位的位置關系圖。同時要結合施工影響段以外適當范圍黃土濕陷易形成陷穴、坑道等積水坑情況，擴大資料收集范圍，以滿足隧道洞頂排水設計要求。

(3)洞身淺埋沖溝需收集沖溝放大縱、橫斷面(埋深小于1倍洞徑時收集)、溝心縱斷面及溝槽流量，以上資料的收集范圍，結合工點情況確定，要提前考慮坡度調(diào)整后，前期的資料收集可以滿足設計要求。

(4)收集與隧道有關的黃土陷穴及人工坑洞的資料，線路單側陷穴調(diào)查范圍建議值為1.2倍隧道洞頂埋置深度(線路單側50 m范圍外的陷穴可不考慮)。

(5)黃土易受水影響，易發(fā)生性質(zhì)改變，在施工過程中易引起工程滑坡及錯落。外業(yè)調(diào)查中需對施工及運營有影響的黃土邊坡穩(wěn)定性進行分析及調(diào)查。

(6)洞口、洞身淺埋溝谷、棄碴、不良地質(zhì)發(fā)育段、場地及臨時便道要進行文字描述及的影音資料的收集。

4.4 外業(yè)調(diào)查安全注意事項

黃土溝壑錯綜復雜，盤山道路多，區(qū)內(nèi)滑坡、錯落、溜坍及陷穴等不良地質(zhì)體發(fā)育，外業(yè)調(diào)查人員安全注意事項如下：

(1)淺埋溝壑調(diào)查時，路面狹窄，行走困難，且溝內(nèi)植被茂密，陷穴發(fā)育，調(diào)查前要穿防滑鞋，在植被茂密的地表，要注意是否為陷穴，通過陷穴段要盡量繞避行走，如無法避免，要盡快通過，不要逗留。

(2)雨雪天氣后，黃土路面濕滑，黃土邊坡面潮濕，易松動溜坍，建議在日照充足情況下，2 d后再開展外業(yè)調(diào)查，確保外業(yè)調(diào)查車輛及人員安全。

5 結論與體會

通過銀西高速鐵路隧道的外業(yè)勘測，筆者結合現(xiàn)有的隧道勘測經(jīng)驗，歸納總結了區(qū)別于常規(guī)鐵路隧道的踏勘、選線、資料收集及外業(yè)調(diào)查等勘測要點及注意事項，并可為可為今后類似的工程勘測設計提供參考。

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Discussion on Tunnel Survey of High Speed Railway in Loess Region

YU Jie

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043，China)

The survey stage of railway tunnel engineering is an important foundation of a project from the early study to the product design. Combined with the existing tunnel survey experience, the features of loess platform and hilly areas like deep ‘V’ gully, landslide, dislocation, sink hole and topsoil slip, in the field survey of tunnel on Yinchuan-Xining high speed railway, for the special problems like unfavorable geology route selection of loess tunnel entrance, the loess slope stability investigation in tunnel entrance, collapsibility of loess, the surface shallow buried loess valleys and loess layer with high moisture content, this paper summarized the key points and matters need attention of tunnel survey data collection points about high speed railway tunnel portal different from the conventional railways, among which the survey points about loess area high speed railway tunnel portal, collapsibility of loess and loess section with high moisture content, etc. can directly serve high speed railway tunnel engineering survey.

high speed railway; tunnel； loess； portal； collapsibility； high moisture content; survey

2015-12-07

于介(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0064—05

U452.1

A